智能热水器温度调节系统设计

本科生学年论文（设计）

（ 08 级）

论文（设计）题目智能热水器温度调节系统设计作者

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杭州国际服务工程学院教学部制

目录

1、引言 (1)

1.1研究背景 (2)

1.1.1 智能热水器简介 (2)

1.1.2 智能热水器发展史 (2)

1.2智能热水器发展趋势 (2)

2、系统设计与分析基础 (3)

2.1现有的智能热水器调节方案与不足 (3)

2.2智能热水器工作原理 (4)

2.3 智能热水器温度控制对象分析 (4)

3、硬件电路设计 (5)

3.1 系统硬件总体设计 (5)

3.1.1 键盘输入电路设计 (6)

3.1.2 温度检测电路设计 (6)

3.1.3 数码显示电路设计 (7)

3.1.4步进电机及其驱动电路设计 (7)

3.1.5 看门狗电路设计 (8)

3.1.6 安全报警电路设计 (8)

3.2 硬件电路搭建及调试 (9)

参考文献 (9)

智能热水器温度调节系统

专业班级姓名指导老师

1 引言

燃气热水器在日常生活中使用较多，燃气热水器必须安装在室外通风良好的地方，而且大多都是人工调节水温，如果在使用过程中需要调节水温就要出浴室调节，这样就给使用者带来极大的不便。本文研究了单片机控制的燃气热水器水温自动调节系统硬件设计的有关问题。

1.1 研究背景

1.1.1 智能热水器简介

智能热水器有一个恰当容积的保温水箱，利用热泵将保温水箱内部的水加热，由于在加热过程中热水与冷水之间相对运动，使热水区逐渐集中在保温水箱的顶部，冷水集中在水箱的底部，随着热泵的不断加热，最终整个保温水箱的水温达到一个均衡的值；并且这种智能热水器在生产热水过程中能够产生冷气，这个冷气可以通过风管引导厨房中，这样达到厨房制冷的效果，并且这个厨房制冷是完全免费的。

相对于其它类型热水器而言，智能热水器具有这样一些优势：不需预热；节能；不结垢、寿命长；使用成本低；款式超薄纤细，外观时尚。

1.1.2 智能热水器发展史

随着世界能源日益紧缺，开发一种更加节能，舒适性更强的热水器一直是欧洲工程师的愿景，经过潜心研究，欧洲工程师利用逆卡诺循环的原理开发的热泵热水器，这种热水器的能量消耗只有电热水器的1/3，并且比电热水器更加安全，并且比燃气热水器有更好的稳定性；为了提高热泵热水器的舒适性，欧洲工程师创造性的将一个保温水罐与热泵做为一个整体，由于热水与冷水因为重力原因会相对的移动，这样热水逐渐集中水罐的顶部，冷水储存在底部，随着热泵的不断加热，最后达到整灌水都达到设定的恒温状态，由于热水在加温的过程中体积会膨胀，随着保温水罐中的水温越来越高，水罐中的压力也逐渐增大，用这样有一定压力的热水冲洗时对身体有一定的按摩效果，并且这种热水器会根据设定温度自动调节机组开启的时间；由于该热水器有储热的作用，对有波谷低电价政策的地区，可以通过设定自动控制热水器在波谷时间开启，达到进一步的节能；因此这种热水器又叫智能热水器；

1.2 智能热水器的发展趋势

智能热水器是目前欧美十分流行的生活方式，欧美国家大部分家庭都采用中央供热系统。家庭中央热水的主角——智能热水器，不仅有比普通快速热水器更优越的热水性能，更具备供暖功能。它产生的热水可以通过管道供给淋浴房、洗脸盆、厨房和洗衣机等，实现家庭多头供水。近年来，中国也开始呈现出家庭中央热水化趋势，在武汉地区，这一趋势的表现犹为明显，家庭中央热水系统正逐渐被消费者接受。

家庭中央热水化趋势的形成源于国内近年来的房地产开发特征。虽然近两年来小户型成市场热点，但综合来看，100平米以上的三房才是迎合三口之家甚至三代同堂的中国家庭需要的主流户型，因此对于家庭热水的需求也随之增长。尤其经过近几年150平米以上大户型广受开发商追捧的沉淀之后，对于满足大户型需要的家庭中央热水器的需求自然随之增长。

欧美国家中，家用热水器容量通常在200升左右，而在中国，普通的容积式热水器的容量从过去的50升上升到今天的60-80升，反应出普通家庭对于热水需求的增加，但与欧美发达国家相比，差距还是非常明显。随着大户型新房的交付使用，市场对于智能热水器的需求必将形成热潮，而且极有可能在未来的较长一段时间内左右热水器市场的供应类型。

2 系统分析与设计基础

2.1现有的智能热水器的调解方案与不足

目前市场上智能热水器产品的温度控制基本上采取两种方案：

（1）机械旋钮式：

热水器的温度调节是通过机械式旋钮实现的，有火力调节旋钮和水量调节旋钮共同控制。火力调节旋钮按标识调小时，热水温度降低；调大时，热水温度升高。水量调节旋钮按标识调小时，水流量减少，热水温度升高；调大时，水流量增大，热水温度降低。用户可以调节合适的热水温度（推荐沐浴温度范围为38℃～42℃）洗浴。

（2）数字式

这种方式下，水温的调节是通过数字控制实现的，当需要出水温度升高时，则微电脑控制比例阀开大，燃气压力升高，水温升高；反之，则比例阀开小，水温降低。

在实际生活中，我们发现绝大多数的中、低档产品都采用机械旋钮式方案，而这些产品恰恰式市场的主流。但是，此类热水器还存在许多不尽如人意的地方，因为该类智能热水器使用的是煤气和氧气进行燃烧产生热量，需要安装在室外通风良好的地方，否则氧气不足会造成煤气不完全燃烧而产生一氧化碳对人的生命构成威胁，而对热水器的控制调节都在机体上，以致洗浴时需要预先调节好水温，有时候遇到水压不正常就造成水温浮动不定，使洗浴者又要出来调节水温，这样不仅浪费水和燃气，而且给洗浴者带来极大不便。

基于以上考虑，本方案拟设计一个基于单片机控制的燃气热水器水温自动调节系统，即通过室内的控制器，输入预定温度，由执行机构自动快速地调节到预定温度，以解决上述问题。而单片机控制的机械旋钮式水温控制调节系统不失为一种很好的选择。

2.2 智能热水器的工作原理

其内部结构主要由四个核心部件：压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器组成加下部整体安装的保温水罐其工作流程是这样的：压缩机将回流的低压冷媒压缩后，变成高温高压的气体排出，高温高压的冷媒气体流经缠绕在水箱外面的铜管，热量经铜管传导到水箱内，冷却下来的冷媒在压力的持续作用下变成液态，经膨胀阀后进入蒸发器，由于蒸发器的压力骤然降低，因此液态的冷媒在此迅速蒸发变成气态，并吸收大量的热量。同时，在风扇的作用下，大量的空气流过蒸发器外表面，空

气中的能量被蒸发器吸收，空气温度迅速降低，变成冷气排进厨房。随后吸收了一定能量的冷媒回

流到压缩机，进入下一个循环。

由以上的工作原理可以看出，智能热水器的工作原理与空调原理有一定相似，应用了逆卡诺原理，

通过吸收空气中大量的低温热能，经过压缩机的压缩变为高温热能，传递给恒温水箱中，把水加热

起来。整个过程是一种能量转移个过程（从空气中用转移到水中），不是能量转换的过程，没有通

过电加热元件加热热水，或者燃烧可燃气体加热热水。

2.3 智能热水器温度控制对象分析

影响热水器出水温度很多。例如进水温度，进水流量，燃气燃烧值，燃气流量，热交换器效率，

热水器尺寸和环境温度等。而且燃气热水器的加热过程具有可变的时延迟特性，运行包括化学反应，

传热和流体运动等过程，其精确的数学模型很难建立起来。但可通过试验曲线的测试，对各个控制

量进行调整。仿人智能控制不需要建立过程控制对象精确的数学模型，仅需要获取过程控制对象简

化的模型结构和近似的主要特征参数。

不考虑管路系统的复杂性和难控性，根据热平衡关系：

()out in nW k V T T =??-

其中：out T ——当前出水温度，单位℃；

in T ——当前进水温度（生活水）或回水温度（采暖水），单位℃；

V ——当前水的流量，单位 kg/s ；

k ——卡到焦耳的单位转换系数，为 4.18kJ/kCal ；

W ——燃气热水器热负荷（输入热量），单位 kW ；

n ——燃气热水器热效率。

又有：

W = VgH

其中 Vg 为燃气流量，H 为燃气的热值，将式（2.2）代入（2.1）得：

out T =in T + nVgH /kV

由该式可以看到，in T 、Vg 和 V 影响out T 的大小，因为本文研究的对象硬件上不对 V 进行检测、调

节，它只调节 Vg ，以此来实现对out T 的控制，这也就是燃气热水器实现温度调节的原理。

假设出水温度就是燃气热水器水体的温度，建立热水器水体温的微分方程为：

其中：m ——热水器水体的质量，单位 kg ；

T ——热水器水体温度，单位℃；

c ——水的热容，值为 1kcal/kg ℃；

对（2.4）两边进行拉氏变换，得到如下方程： ()()()()out out in m s T s n W s k V T s k V T s ??=?-??+??

()out out in dT c m n W k V T T dt

-?=?-?

从上面的结果可以看出，热水器水体温度控制的模型是由两个一阶惯性环节，实际的系统存在滞后环节，系统模型还需要串连一个纯滞后环节，滞后的时间 I τ。生活水加热系统模型结构

从以上分析的简化模型可以看出，加热系统工作的水流量是不确定的，按照燃气热水器的型号不同，正常的生活水工作流量范围是 3L/min ～9L/min ，不同的水量使得加热系统的开环增益各异，而且实际应用中，水流往往有一定幅度的波动。此外，这两个过程还含有纯滞后环节。这些因素给燃气热水器温度控制带来了难度，控制的难度造成现有温度控制算法的控制效果不理想。鉴于PID 控制理论在一些难控过程中的成功运用，本文将其应用于燃气热水器温度控制。

3 硬件电路设计

3.1系统硬件总体设计

智能热水器温度控制系统硬件部分按核心处理器、外围电路和外部设备三部分来进行设计。核心处理器选用 ATMEL 公司生产的 89S51系列单片机，该单片机功能强大，资源丰富，运算速度快，满足我们温度控制系统的设计需要。外围电路设计必要的电源电路，复位电路等。外部设备分为几个部分加以设计：键盘输入电路、数码管显示电路，温度采样电路、外部看门狗电路及蜂鸣器报警电路、步进电机驱动电路。系统设计了一路模拟量转数字量输入（热水器出水口温度）；三开关量输入（温度加一信号、温度减一信号、确定输入信号）；数码管显示部分由两位10进制数码显示，显

图3.1

'()()out T s n W S m s k V

=?+?

3.1.1 键盘输入电路的设计

由于本系统要求的输入，仅为用户预设的两位温度值，故所需要的键数比较少，用3个单键（加一，减一，确定）即可。可以用单片机的五个中断源中的三个进行设计，也可以用中断扩展进行设计。由于单片机引脚有限，在设计初期还不能确定是否有多出来的资源供使用，还有考虑到键盘响应的及时性和单片机运行的效率，所以本系统采用中断扩展控制方式，即三个单键先分别与三个I/O 口相连，然后再通过与门连接到单片机外部中断0接口。

图3.2

3.1.2 温度检测电路的设计

采用温度传感器铂电阻Pt1000。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化

性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在0—100摄氏度时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。铂热电阻与温度关系是，Rt = R0（1+At+Bt×t）；其中Rt是温度为t摄氏度时的电阻；R0是温度为0摄氏度时的电阻；t为任意温度值，A，B为温度系数。通过运算放大器将信号放大，然后输入AD转换器，这样就把模拟信号转换为数字信号了。设计图如下

图3.3

3.1.3数码显示电路的设计

图3.4

管教序列:从数码管的真面看是逆时针方向排列的

12-9-8-6-公共端

a-11 b-7 c-4 d-2 e-1 f-10 g-5 h-3

系统使用共阴极两位数码管，使用单片机的P0口作为段选，P2.0、P2.1作为位选。使用2N5401 PNP 型小功率三极管做功率放大以驱动数码管，设计图如下

图3.5 温度显示电路

3.1.4 步进电机及其驱动电路的设计

步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备—步进电机控制驱动系统。

步进电机控制驱动电路主要由AT89S51单片机、集成施密特触发器74HC14，功率驱动芯片ULN2003A

组成，设计图如下

图3.7

3.1.5 看门狗电路设计

看门狗”电路（Watch dog，其功能是当系统出现死机或程序跑飞进入某个死循环后，由该电路向CPU（控制器）发出复位信号，使系统重新开始运行。设计图如下

图3.8

3.1.7 安全报警电路设计

在本系统的设计中，为了保障洗浴的安全性，采取了一系列的安全报警措施。主要有出水温度越限报警，键盘输入温度越限报警以及传感器故障报警等。系统的安全电路设计如下。

图3.9

3.2 硬件电路塔建及调试

在Protues上的仿真电路图如下

图3.10

参考文献

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结束